ΠΕΡΙΛΗΨΗ. Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει σκοπό την ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου

ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει σκοπό την ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου τηλεϊατρικού συστήματος για αποστολή ιατρικού βίντεο σε πραγματικό χρόνο σε απομακρυσμένες περιοχές, χρησιμοποιώντας τεχνολογίες ανοικτού κώδικα. Για την αξιολόγηση του συστήματος πραγματοποιήθηκαν πειραματικές μετρήσεις προκειμένου να διαπιστωθεί κατά πόσο το σύστημα είναι αποδοτικό. Το αρχικό σύνολο δεδομένων αποτελείτο από ασυμπίεστα βίντεο από υπέρηχο της καρωτιδικής αρτηρίας. Τα δύο βασικά σενάρια που μελετήθηκαν είναι η χρήση του συστήματος για αποστολή βίντεο εντός του ίδιου ασύρματου τοπικού δικτύου και η χρήση ασύρματου δικτύου 3G για την αποστολή του βίντεο. Χρησιμοποιήθηκαν δυο διαδεδομένες τεχνικές αξιολόγησης που αναφέρει η σχετική βιβλιογραφία, η αντικειμενική αξιολόγηση (PSNR) και η κλινική αξιολόγηση (με απώτερο στόχο να εξεταστεί η απόδοση του συστήματος για τη διάγνωση της αθυρωματικής πλάκας από κάποιον ειδικό). Τα αποτελέσματα της αντικειμενικής αξιολόγησης είναι μέσα στα ικανοποιητικά πλαίσια που ορίζει η βιβλιογραφία ώστε το βίντεο να είναι ικανοποιητικής διαγνωστικής ποιότητας (PSNR >35 db). Τα ποσοστά των χαμένων πακέτων και οι καθυστερήσεις ήταν ελάχιστα. Στην περίπτωση χρήσης του δικτύου 3G, παρόλο που η αντικειμενική ποιότητα θεωρείται χαμηλή, η κλινική αξιολόγηση έδειξε πως τα βίντεο μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για αξιόπιστη κλινική διάγνωση. Ειρήνη Ελευθερίου Πανεπιστήμιο Κύπρου, 2012

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΙΑΤΡΙΚΟΥ ΒΙΝΤΕΟ ΣΕ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟ ΧΡΟΝΟ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΩΝΤΑΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΑΝΟΙΚΤΟΥ-ΚΩΔΙΚΑ Ειρήνη Ελευθερίου H Διατριβή αυτή Υποβλήθηκε προς Μερική Εκπλήρωση των Απαιτήσεων για την Απόκτηση Τίτλου Σπουδών Master σε Προηγμένες Τεχνολογίες Πληροφορικής στο Πανεπιστήμιο Κύπρου Συστήνεται προς Αποδοχή από το Τμήμα Πληροφορικής Ιούνιος, 2012

ΣΕΛΙΔΑ ΕΓΚΡΙΣΗΣ Διατριβή Master ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΙΑΤΡΙΚΟΥ ΒΙΝΤΕΟ ΣΕ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟ ΧΡΟΝΟ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΩΝΤΑΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΑΝΟΙΚΤΟΥ-ΚΩΔΙΚΑ Παρουσιάστηκε από την Ειρήνη Ελευθερίου Ερευνητικός Σύμβουλος Όνομα Ερευνητικού Συμβούλου Μέλος Επιτροπής Όνομα Μέλους Επιτροπής Μέλος Επιτροπής Όνομα Μέλους Επιτροπής Πανεπιστήμιο Κύπρου Ιούνιος, 2012 ii

ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Αρχικά θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέπων καθηγητή μου κ. Κωνσταντίνο Παττίχη για την ευκαιρία και που μου έδωσε να εκπονήσω την παρούσα εργασία και για την εμπιστοσύνη που μου έδειξε. Η καθοδήγηση και υποστήριξη καθ όλη την διάρκεια των σπουδών μου στο Πανεπιστήμιο Κύπρου έπαιξαν πρωταρχικό ρόλο στην επιτυχή ολοκλήρωση τους. Ιδιαίτερα θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Δρ. Αντρέα Παναγίδη για τoν πολύτιμο χρόνο που μου πρόσφερε και την υπομονή που υπέδειξε καθ όλη τη διάρκεια εκπόνησης της εργασίας. Οι εμπειρίες και τις γνώσεις του στον τομέα της τηλεϊατρικής και της επεξεργασίας βίντεο με βοήθησαν να ολοκληρώσω με επιτυχία την παρούσα εργασία. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένεια και τους φίλους μου για την πολύτιμη στήριξη που μου πρόσφεραν καθ όλη τη διάρκεια των σπουδών μου στο Πανεπιστήμιο Κύπρου. iii

ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ Κεφάλαιο 1... 1 1.1 Τηλεϊατρικά Συστήματα... 1 Κεφάλαιο 2... 4 2.1 Κωδικοποίηση Ψηφιακού Βίντεο... 4 2.1.1 Κωδικοποίηση εντροπίας... 5 2.1.2 Κωδικοποίηση με πρόβλεψη... 5 2.1.3 Πρόβλεψη με αντιστάθμιση κίνησης... 6 2.2 Πρότυπα Κωδικοποίησης Ψηφιακού Βίντεο... 6 2.2.1 Η.261 (1990)... 7 2.2.2 MPEG-1 (1993)... 7 2.2.3 H.262/MPEG-2 (1995)... 8 2.2.4 H.263 (2000)... 8 2.2.5 MPEG-4 Part 2 (2000)... 8 2.2.6 H.264/AVC MPEG-4 Part 10 (2003)... 9 2.3 Αρχιτεκτονική Του Προτύπου H.264/AVC... 10 2.4 Profiles και Levels... 11 2.5 Τύποι πλαισίων... 12 2.6 Intra Updating... 13 2.7 Rate Control... 14 Κεφάλαιο 3... 15 3.1 Εισαγωγή... 15 3.2 Δεύτερη γενεά ασύρματων δικτύων (2G)... 17 3.3 Δεύτερη και μισό γενεά ασύρματων δικτύων (2.5G)... 18 iv

3.4 Τρίτη γενεά ασύρματων δικτύων (3G)... 19 3.5 Τρίτη και μισό γενεά ασύρματων δικτύων (3.5G)... 20 3.6 Τέταρτη γενεά ασύρματων δικτύων (4G)... 22 3.7 Πρωτόκολλα Επικοινωνίας... 26 Κεφάλαιο 4... 28 4.1 Εφαρμογές Ανοικτού Κώδικα και Λογισμικό... 28 4.1.1 FFmpeg... 30 4.1.2 x264... 31 4.1.3 VLC... 31 4.1.4 Wireshark... 32 4.1.5 JSVM... 34 4.1.6 yuvviewer... 35 4.2 Περιγραφή τηλεϊατρικού συστήματος... 35 Κεφάλαιο 5... 39 5.1 Κωδικοποίηση... 39 5.2 Αποστολή... 42 5.2.1 Σενάριο 1: Αποστολή Ιατρικού Βίντεο εντός των Εγκαταστάσεων του Διαγνωστικού Κέντρου (WLAN)... 43 5.2.2 Σενάριο 2: Αποστολή Ιατρικού Βίντεο σε Επείγοντα Περιστατικά και από Απομακρυσμένες Περιοχές (3.5G - HSPA)... 43 5.3 Αξιολόγηση Αποτελεσμάτων... 44 5.3.1 Αντικειμενική Αξιολόγηση Βίντεο (Objective Video Quality Assessment)... 44 5.3.2 Κλινική Αξιολόγηση Βίντεο (Clinical Video Quality Assessment) 45 v

Κεφάλαιο 6... 47 6.1 Αξιολόγηση Κωδικοποιημένων Βίντεο... 47 6.2 Σενάριο 1: WLAN... 50 6.2.1 Αντικειμενική Αξιολόγηση... 50 6.2.2 Κλινική Αξιολόγηση... 59 6.3 Σενάριο 2: 3.5G (HSPA)... 62 6.3.1 Αντικειμενική Αξιολόγηση... 62 6.3.2 Κλινική Αξιολόγηση... 71 6.4 Συγκεντρωτικά Αποτελέσματα... 72 Κεφάλαιο 7... 80 7.1 Συμπεράσματα... 80 7.2 Μελλοντική Εργασία... 83 Βιβλιογραφία... 84 APPENDIX Α... 86 APPENDIX Β... 101 vi

ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 3-1 : Οι Τεχνολογίες Με Τις Αντίστοιχες Ταχύτητες και Καθυστερήσεις [1].. 25 Πίνακας 5-1 : Κριτήρια κλινικής αξιολόγησης και παράμετροι κωδικοποίησης... 40 Πίνακας 5-2 : Παράμετροι κωδικοποίησης... 42 Πίνακας 5-3 : Περιγραφή κλίμακας κλινικής αξιολόγησης [1]... 46 Πίνακας 6-1 : Διαθέσιμο εύρος ζώνης για τα δυο σενάρια... 50 Πίνακας 6-2 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο 6RTICA (Σενάριο 1) χωρίς B-frames (Baseline Profile)... 51 Πίνακας 6-3 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο 6RTICA (Σενάριο 1) με 2 B-frames... 51 Πίνακας 6-4 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο 6RTICA (Σενάριο 1) με 4 B-frames... 52 Πίνακας 6-5: Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο 6RTICA (Σενάριο 1) με 8 B-frames... 52 Πίνακας 6-6 : Αποτελέσματα κλινικής αξιολόγησης για ανάλυση 352x288 και bitrate 324kbps (Σενάριο 1)... 60 Πίνακας 6-7 : Αποτελέσματα κλινικής αξιολόγησης για ανάλυση 352x288 και bitrate 512kbps (Σενάριο 1)... 60 Πίνακας 6-8 : Αποτελέσματα κλινικής αξιολόγησης για ανάλυση 560x416 και bitrate 512kbps (Σενάριο 1)... 61 Πίνακας 6-9 : Αποτελέσματα κλινικής αξιολόγησης για ανάλυση 560x416 και bitrate 768kbps (Σενάριο 1)... 61 Πίνακας 6-10 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο 6RTICA (Σενάριο 2) χωρίς B-frames (Baseline Profile)... 63 vii

Πίνακας 6-11 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο 6RTICA (Σενάριο 2) με 2 B-frames... 63 Πίνακας 6-12 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο 6RTICA (Σενάριο 2) με 4 B-frames... 64 Πίνακας 6-13 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο 6RTICA (Σενάριο 2) με 8 B-frames... 64 Πίνακας 6-14 : Αποτελέσματα κλινικής αξιολόγησης για ανάλυση 352x288 και bitrate 256kbps (Σενάριο 2)... 72 Πίνακας 6-15 : Αποτελέσματα κλινικής αξιολόγησης για ανάλυση 352x288 και bitrate 324kbps (Σενάριο 2)... 72 Πίνακας A-1 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο 11LTCCA (Σενάριο 1) χωρίς B-frames (Baseline Profile)... 86 Πίνακας A-2 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο 11LTCCA (Σενάριο 1) με 2 B-frames... 86 Πίνακας A-3 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο 11LTCCA (Σενάριο 1) με 4 B-frames... 87 Πίνακας A-4 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο 11LTCCA (Σενάριο 1) με 8 B-frames... 87 Πίνακας A-5 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο 16LTSIDE (Σενάριο 1) χωρίς B-frames... 87 Πίνακας A-6 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο 16LTSIDE (Σενάριο 1) με 2 B-frames... 88 Πίνακας A-7 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο 16LTSIDE (Σενάριο 1) με 4 B-frames... 88 Πίνακας A-8 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο 16LTSIDE (Σενάριο 1) με 8 B-frames... 89 Πίνακας A-9 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο 16LTSIDE (Σενάριο 1) με 16 B-frames... 89 viii

Πίνακας A-10 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο 25LTCCA (Σενάριο 1) χωρίς B-frames (Baseline Profile)... 89 Πίνακας A-11 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο 25LTCCA (Σενάριο 1) με 2 B-frames... 90 Πίνακας A-12 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο 25LTCCA (Σενάριο 1) με 4 B-frames... 90 Πίνακας A-13 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο 25LTCCA (Σενάριο 1) με 8 B-frames... 91 Πίνακας A-14 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο P1046_RICA (Σενάριο 1) χωρίς B-frames (Baseline Profile)... 91 Πίνακας A-15 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο P1046_RICA (Σενάριο 1) με 2 B-frames... 91 Πίνακας A-16 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο P1046_RICA (Σενάριο 1) με 4 B-frames... 92 Πίνακας A-17 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο P1046_RICA (Σενάριο 1) με 8 B-frames... 92 Πίνακας A-18 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο P1046_RICA (Σενάριο 1) με 16 B-frames... 92 Πίνακας A-19 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο 11LTCCA (Σενάριο 2) χωρίς B-frames (Baseline Profile)... 93 Πίνακας A-20 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο 11LTCCA (Σενάριο 2) με 2 B-frames... 93 Πίνακας A-21 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο 11LTCCA (Σενάριο 2) με 4 B-frames... 94 Πίνακας A-22 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο 11LTCCA (Σενάριο 2) με 8 B-frames... 94 Πίνακας A-23 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο 16LTSIDE (Σενάριο 2) χωρίς B-frames (Baseline Profile)... 94 ix

Πίνακας A-24 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο 16LTSIDE (Σενάριο 2) με 2 B-frames... 95 Πίνακας A-25 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο 16LTSIDE (Σενάριο 2) με 4 B-frames... 95 Πίνακας A-26 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο 16LTSIDE (Σενάριο 2) με 8 B-frames... 96 Πίνακας A-27 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο 16LTSIDE (Σενάριο 2) με 16 B-frames... 96 Πίνακας A-28 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο 25LTCCA (Σενάριο 2) χωρίς B-frames (Baseline Profile)... 96 Πίνακας A-29 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο 25LTCCA (Σενάριο 2) με 2 B-frames... 97 Πίνακας A-30 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο 25LTCCA (Σενάριο 2) με 4 B-frames... 97 Πίνακας A-31 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο P1046_RICA (Σενάριο 2) με 8 B-frames... 98 Πίνακας A-32 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο P1046_RICA (Σενάριο 2) χωρίς B-frames... 98 Πίνακας A-33 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο P1046_RICA (Σενάριο 2) με 2 B-frames... 98 Πίνακας A-34 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο P1046_RICA (Σενάριο 2) με 4 B-frames... 99 Πίνακας A-35 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο P1046_RICA (Σενάριο 2) με 8 B-frames... 99 Πίνακας A-36 : Αποτελέσματα μέσου όρου PSNR για το βίντεο P1046_RICA (Σενάριο 2) με 16 B-frames... 100 x

ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήμα 1.1 : Ασύρματη Μετάδοση Ιατρικού Βίντεο Για Επείγοντα Περιστατικά [1]... 3 Σχήμα 2.1 : Εξέλιξη Προτύπων Κωδικοποίησης [1]... 7 Σχήμα 2.2 : Τα στρώματα VCL και NAL του προτύπου H.264/AVC... 10 Σχήμα 2.3 : Χαρακτηριστικά των διαφόρων profile του προτύπου H.264/AVC... 12 Σχήμα 3.1 : Ασύρματες και Ενσύρματες Τεχνολογίες [3]... 16 Σχήμα 3.2 : Καθυστέρηση WCDMA, HSDPA και HSPA(HSDPA + HSUPA) [7]... 21 Σχήμα 3.3 : Καθυστερήσεις (Delays) Για Τις Διάφορες Τεχνολογίες [3]... 22 Σχήμα 4.1 : Διάγραμμα Συστήματος... 30 Σχήμα 4.2 : VLC Media Player... 32 Σχήμα 4.3 : Wireshark... 34 Σχήμα 4.4 : Διεπαφή Κωδικοποιητή... 36 Σχήμα 4.5 : Διεπαφή Αποστολέα... 37 Σχήμα 4.6 : Διεπαφή Παραλήπτη... 38 Σχήμα 6.1 : Rate Distortion Curves μεταξύ αρχικού και κωδικοποιημένου βίντεο για τα τις διάφορες τιμές των Β-frames για το βίντεο 6RTICA ανάλυσης 176x144... 48 Σχήμα 6.2 : Rate Distortion Curves μεταξύ αρχικού και κωδικοποιημένου βίντεο για τα τις διάφορες τιμές των Β-frames για το βίντεο 6RTICA ανάλυσης 352x288... 49 Σχήμα 6.3 : Rate Distortion Curves μεταξύ αρχικού και κωδικοποιημένου βίντεο για τα τις διάφορες τιμές των Β-frames για το βίντεο 6RTICA ανάλυσης 560x416... 49 Σχήμα 6.4 : Rate Distortion Curves για το βίντεο που λήφθηκε για τα τις διάφορες τιμές των Β-frames για το βίντεο 6RTICA ανάλυσης 176x144 και με 15 fps... 53 Σχήμα 6.5 : Σύγκριση PSNR των κωδικοποιημένων βίντεο και των βίντεο που παραλήφθηκαν (Σενάριο 1)... 54 xi

Σχήμα 6.6 : Rate Distortion Curves για το βίντεο που λήφθηκε για τα τις διάφορες τιμές των Β-frames για το βίντεο 6RTICA ανάλυσης 352x288 και με 15 fps... 55 Σχήμα 6.7 : Rate Distortion Curves μεταξύ του αρχικού βίντεο και του βίντεο που λήφθηκε για τα τις διάφορες τιμές των Β-frames για το βίντεο 6RTICA ανάλυσης 560x416... 56 Σχήμα 6.8 : Σύγκριση του PSNR των τριών resolution για 0 B-frames (Σενάριο 1)... 57 Σχήμα 6.9 : Σύγκριση του PSNR των τριών resolution για 2 B-frames (Σενάριο 1)... 57 Σχήμα 6.10: Σύγκριση του PSNR των τριών resolution για 4 B-frames (Σενάριο 1).. 58 Σχήμα 6.11: Σύγκριση του PSNR των τριών resolution για 8 B-frames (Σενάριο 1).. 58 Σχήμα 6.12 : Rate Distortion Curves μεταξύ του αρχικού βίντεο και του βίντεο που λήφθηκε για τα τις διάφορες τιμές των Β-frames για το βίντεο 6RTICA ανάλυσης 176x144 (3G)... 65 Σχήμα 6.13 : Σύγκριση PSNR των κωδικοποιημένων βίντεο και των βίντεο που παραλήφθηκαν (Σενάριο 2)... 66 Σχήμα 6.14 : Rate Distortion Curves μεταξύ του αρχικού βίντεο και του βίντεο που λήφθηκε για τα τις διάφορες τιμές των Β-frames για το βίντεο 6RTICA ανάλυσης 352x288 (3G)... 67 Σχήμα 6.15 : Rate Distortion Curves μεταξύ του αρχικού βίντεο και του βίντεο που λήφθηκε για τα τις διάφορες τιμές των Β-frames για το βίντεο 6RTICA ανάλυσης 560x416 (3G)... 68 Σχήμα 6.16 : Σύγκριση του PSNR των τριών resolution για 0 B-frames (Σενάριο 2). 69 Σχήμα 6.17 : Σύγκριση του PSNR των τριών resolution για 2 B-frames (Σενάριο 2). 69 Σχήμα 6.18 : Σύγκριση του PSNR των τριών resolution για 4 B-frames (Σενάριο 2). 70 Σχήμα 6.19 : Σύγκριση του PSNR των τριών resolution για 8 B-frames (Σενάριο 2). 70 Σχήμα 6.20 : Box Plots για όλα τα βίντεο ανάλυσης 176x144 και bitrate 128kbps... 74 Σχήμα 6.21 : Box Plots για όλα τα βίντεο ανάλυσης 176x144 και bitrate 256kbps... 74 Σχήμα 6.22 : Box Plots για όλα τα βίντεο ανάλυσης 176x144 και bitrate 324kbps... 75 Σχήμα 6.23 : Box Plots για όλα τα βίντεο ανάλυσης 352x288 και bitrate 324kbps... 75 xii

Σχήμα 6.24 : Box Plots για όλα τα βίντεο ανάλυσης 352x288 και bitrate 512kbps... 76 Σχήμα 6.25 : Box Plots για όλα τα βίντεο ανάλυσης 560x416 και bitrate 512kbps... 76 Σχήμα 6.26 : Box Plots για όλα τα βίντεο ανάλυσης 560x416 και bitrate 768kbps... 77 Σχήμα 6.27 : Box Plots για όλα τα βίντεο ανάλυσης 176x144 και 2-Bframes... 78 Σχήμα 6.28 : Box Plots για όλα τα βίντεο ανάλυσης 352x288 και 2-Bframes... 78 Σχήμα 6.29 : Box Plots για όλα τα βίντεο ανάλυσης 560x416 και 2-Bframes... 79 Σχήμα Β.1 : Αρχικό Παράθυρο... 101 Σχήμα Β.2 : Επιλογή ρυθμίσεων κωδικοποιητή και αποστολέα... 102 Σχήμα Β.3 : Κωδικοποιητής (Παράμετροι)... 103 Σχήμα Β.4 : Κωδικοποιητής (Έξοδος)... 104 Σχήμα Β.5 : Αποστολέας... 105 Σχήμα Β.6 : Επιλογή Ρυθμίσεων Παραλήπτη... 106 Σχήμα Β.7 : Παραλήπτης... 107 Σχήμα Β.8 : Έξοδος... 107 xiii

ΑΚΡΟΝΥΜΑ 3G 3GPP 4G AVC CDMA CIF DL EDGE FDD FMO GOP GPRS GSM HSDPA HSPA HSUPA IMT-Advanced IP ITU JCT-VC JPEG JVT LAN LTE 3 rd Generation 3rd Generation Partnership Project 4 th Generation Advanced Video Coding Code Division Multiple Access Common Intermediate Format Downlink Enhanced Data rates for GSM Evolution Frequency Division Duplex Flexible Macroblock Ordering Group of Pictures General Packet Radio Service Global System for Mobile communications High Speed Downlink Packet Access High Speed Packet Access High Speed Uplink Packet Access International Mobile Telecommunications-Advanced Internet Protocol International Telecommunication Union Joint Collaborative Team on Video coding Joint Photographic Experts Group Joint Video Team Local Area Network Long Term Evolution xiv

MAC MB MIMO MPEG MSE MV NAL OFDM OFDMA PHY PLR PSNR QCIF QoS QP RS RTP RTSP RTT SNR SVC TCP TDD TDMA UDP UL UMTS Medium Access Control Macroblock Multiple Input Multiple Output Motion Pictures Experts Group Mean Square Error Motion Vector Network Abstraction Layer Orthogonal Frequency Division Multiplexing Orthogonal Frequency Division Multiple Access Physical Packet Loss Rates Peak Signal to Noise Ratio Quarter Common Intermediate Format Quality of Service Quantization Parameter Redundant Slices Real-time Transport Protocol Real Time Streaming Protocol Round-Trip delay Time Signal to Noise Ration Scalable Video Coding Transmission Control Protocol Time Division Duplex Time Division Multiple Access User Datagram Protocol Uplink Universal Mobile Telecommunications System xv

VCL VoIP VQEG WCDMA WiMAX Video Coding Layer Voice over IP Video Quality Experts Group Wideband Code Division Multiple Access Worldwide Interoperability for Microwave Access xvi

Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Στο κεφάλαιο αυτό ακολουθεί μια σύντομη εισαγωγή στα τηλεϊατρικά συστήματα και στις εφαρμογές τους. 1.1 Τηλεϊατρικά Συστήματα Η τηλεϊατρική είναι η παροχή ιατρικής φροντίδας μεταξύ απομακρυσμένων περιοχών, κάνοντας χρήση τηλεπικοινωνιακών μέσων με σκοπό την παροχή εξειδικευμένης ιατρικής φροντίδας σε περιοχές που δεν είναι στελεχωμένες με ειδικευμένο ιατρικό προσωπικό ή όπου δεν είναι δυνατό να υπάρχει. Για παράδειγμα, σε μικρά νοσοκομεία όπου δεν υπάρχουν γιατροί από όλες τις ειδικεύσεις, με τη χρήση της τηλεϊατρικής θα είναι δυνατή η παροχή ιατρικής φροντίδας από κάποιο ειδικό που βρίσκεται εκτός νοσοκομείου. Επίσης, κατά τη μεταφορά των ασθενών στο νοσοκομείο με το ασθενοφόρο σε περιπτώσεις επειγόντων περιστατικών, ο χρόνος είναι πολύ σημαντικός και καθοριστικός για την μετέπειτα εξέλιξη της υγείας του ασθενή, ειδικότερα τα πρώτα 60 λεπτά («the golden hour»). Για αυτό το λόγο η χρήση της τηλεϊατρικής είναι αναγκαία αφού στο ασθενοφόρο δεν είναι δυνατό να υπάρχει εξειδικευμένο ιατρικό προσωπικό. Ακόμη, είναι δυνατή η αποστολή βιοσημάτων και ιατρικού βίντεο, σε πραγματικό χρόνο, του ασθενούς στο νοσοκομείο όπου μεταφέρεται για μείωση των καθυστερήσεων. Η χρήση της τηλεϊατρικής διευκολύνει τις διαδικασίες ιατρικής περίθαλψης αφού αντιμετωπίζονται τα προβλήματα περίθαλψης σε περιοχές χωρίς πολλούς πόρους. Ο 1

2 χρόνος επικοινωνίας μεταξύ των γιατρών που βρίσκονται σε διαφορετικές περιοχές ελαττώνεται, όπως επίσης και η άσκοπη μετακίνηση των ασθενών και έτσι κατ επέκταση μειώνεται και το κόστος. Εκτός από τις πιο πάνω περιπτώσεις, μερικές εφαρμογές της τηλεϊατρικής είναι η τηλεδιάγνωση (παροχή εξειδικευμένης ιατρικής γνώσης με τη μορφή διάγνωσης ή συμβουλών, μέσω της χρήσης τηλεματικών συστημάτων), η τηλεακτινολογία (μεταφορά ακτινολογικών εικόνων από ένα σημείο σε άλλο για γνωμάτευση ή παροχή συμβουλών θεραπείας), η τηλεκαρδιολογία (μετάδοση ΗΚΓ), η τηλεδερματολογία (αποστολή δερματολογικών εικόνων), η τηλεχειρουργική (μετάδοση εικόνας και ήχου επιτρέποντας την επικοινωνία μεταξύ χειρουργών, με χρήση ρομποτικών συσκευών) και άλλες. Στο Σχήμα 1.1 δίνεται μια περιγραφή της αρχιτεκτονικής ενός τηλεϊατρικού συστήματος για επείγοντα περιστατικά. Η διαδικασία είναι η εξής: Το ιατρικό βίντεο γυρίζεται στο ασθενοφόρο από το ειδικά εκπαιδευμένο παραϊατρικό προσωπικό, μέσω του διαθέσιμου εξοπλισμού. Το βίντεο και τα βιοσήματα του ασθενή αποστέλλονται στο γιατρό (για διάγνωση) ή/και στις εγκαταστάσεις του νοσοκομείου (π.χ. για ετοιμασία του χειρουργείου) που θα εισαχθεί ο ασθενής μέσω των διαθέσιμων ασύρματων καναλιών. Πριν την αποστολή, το βίντεο κωδικοποιείται για να μειωθεί το μέγεθος του ώστε να γίνει πιο γρήγορα η αποστολή του. Είναι σημαντικό κατά την κωδικοποίηση να μην μειωθεί σημαντικά η ποιότητα του συμπιεσμένου βίντεο ώστε να είναι δυνατή η διάγνωση από τον γιατρό που θα το λάβει.

Σχήμα 1.1 : Ασύρματη Μετάδοση Ιατρικού Βίντεο Για Επείγοντα Περιστατικά [1] 3

4 Κεφάλαιο 2 H.264/AVC Στο κεφάλαιο αυτό γίνεται μια σύντομη αναδρομή στα πρότυπα κωδικοποίησης ψηφιακού βίντεο και αναφέρονται τα γενικά χαρακτηριστικά κάθε προτύπου. Στη συνέχεια γίνεται επεξήγηση του προτύπου Η.264/AVC και των χαρακτηριστικών που μας ενδιαφέρουν για την υλοποίηση της συγκεκριμένης εφαρμογής. 2.1 Κωδικοποίηση Ψηφιακού Βίντεο Τα διαδοχικά πλαίσια σε ένα βίντεο δεν έχουν σημαντικές διαφορές μεταξύ τους. Στόχος της κωδικοποίησης είναι να μειωθεί το bit-rate που χρησιμοποιείται για την αποθήκευση και μετάδοση του βίντεο κωδικοποιώντας μόνο τις διαφορές μεταξύ διαδοχικών πλαισίων. Έτσι το κωδικοποιημένο βίντεο είναι συμπιεσμένο σε σχέση με το αρχικό. Η απόδοση των τεχνικών συμπίεσης εξαρτάται από δυο παράγοντες: από την ποσότητα πλεονασμού που περιέχεται στα πλαίσια καθώς και από τις τεχνικές συμπίεσης που χρησιμοποιούνται για την κωδικοποίηση. Υπάρχουν δύο είδη πλεονασμού σε ένα σήμα βίντεο, ο χωρικός πλεονασμός (Spatial Redundancy) και ο χρονικός πλεονασμός (Temporal Redundancy). Ο χωρικός πλεονασμός προκύπτει γιατί τα γειτονικά pixel είναι πολύ πιθανό να είναι όμοια μεταξύ τους. Ο χρονικός πλεονασμός είναι αποτέλεσμα του ότι τα γειτονικά frames δεν έχουν πολλές διαφορές μεταξύ τους και άρα μπορούν να υπολογιστούν από προηγούμενα (ή και επόμενα) frames.

5 Υπάρχουν δυο τεχνικές κωδικοποίησης ανάλογα με τη σχέση που έχει το αρχικό βίντεο με το αποτέλεσμα της αποκωδικοποίησης: κωδικοποίηση με απώλειες και κωδικοποίηση χωρίς απώλειες. Με τον πρώτο τρόπο διατηρείται η ποιότητα του βίντεο, δηλαδή τα αποκωδικοποιημένα πλαίσια είναι τα ίδια με τα αρχικά πριν την κωδικοποίηση, αλλά τα δεδομένα του βίντεο για αποθήκευση είναι λιγότερα. Στην δεύτερη περίπτωση, το αποκωδικοποιημένο βίντεο έχει χαμηλότερη ποιότητα από το αρχικό αφού χάνεται κάποια πληροφορία, αλλά πετυχαίνεται καλύτερος λόγος συμπίεσης. Ανάλογα με τη μέθοδο που ακολουθείται για τη συμπίεση εικόνων έχουμε τις ακόλουθες τεχνικές κωδικοποίησης: 2.1.1 Κωδικοποίηση εντροπίας Η κωδικοποίηση εντροπίας είναι είδος κωδικοποίησης χωρίς απώλειες. Σε αυτό το είδος κωδικοποίησης γίνεται αναπαράσταση των συντελεστών που εμφανίζονται συχνότερα με λιγότερα ψηφία. Για παράδειγμα, αν οι τιμές χρωμάτων των pixel που εμφανίζονται συχνά αναπαρασταθούν με λιγότερα ψηφία ενώ οι τιμές που έχουν λιγότερη πιθανότητα να εμφανιστούν αναπαρασταθούν με περισσότερα ψηφία, τότε μειώνεται ο μέσος όρος των bits που χρησιμοποιούνται για την αναπαράσταση των χρωμάτων. Βασικό στοιχείο αυτής της τεχνικής κωδικοποίησης είναι ότι δεν λαμβάνεται υπόψη η φύση των δεδομένων. 2.1.2 Κωδικοποίηση με πρόβλεψη Σε αυτή την περίπτωση, γίνεται χρήση του γεγονότος ότι υπάρχει πλεονασμός στα γειτονικά pixels μέσα στα πλαίσια ή μεταξύ των διαδοχικών πλαισίων. Σε συστήματα που γίνεται χρήση κωδικοποίησης με πρόβλεψη, γίνεται μια κατά προσέγγιση πρόβλεψη της τιμής της χρωματικής απόχρωσης κάθε pixel από προηγούμενη πληροφορία που μεταδόθηκε, και στη συνέχεια υπολογίζεται η διαφορά ανάμεσα

6 στην προβλεπόμενη τιμή του και στην πραγματική τιμή του pixel και γίνεται κωδικοποίηση μόνο αυτής. 2.1.3 Πρόβλεψη με αντιστάθμιση κίνησης Αυτή η τεχνική βασίζεται στην εκτίμηση της κίνησης μεταξύ των πλαισίων του βίντεο. Η καλύτερη πρόβλεψη κάπου pixel δίνεται από το pixel του προηγούμενου κωδικοποιημένου πλαισίου. Έτσι, γίνεται αποστολή μόνο του λάθους της πρόβλεψης και των διανυσμάτων κίνησης. 2.2 Πρότυπα Κωδικοποίησης Ψηφιακού Βίντεο Διαφορετικά πρότυπα κωδικοποίησης βίντεο χρησιμοποιούν διαφορετικές μεθόδους για τη μείωση των δεδομένων, και ως εκ τούτου, τα αποτελέσματα διαφέρουν σε bit rate, σε ποιότητα και σε χρόνο καθυστέρησης. Τα αρχικά MPEG προέρχονται από τις λέξεις Moving Picture Experts Group. Πρόκειται για μια επιτροπή ειδικών που δραστηριοποιείται στην ανάπτυξη κωδικοποιητών για συμπίεση πληροφορίας εικόνας, ήχου και βίντεο. Μέχρι σήμερα η επιτροπή MPEG έχει διατυπώσει τη μορφή αρκετών συμπιεστών που φέρουν όλοι την ονομασία MPEG και μοιράζονται μεν τα ίδια βασικά χαρακτηριστικά, διαφέρουν όμως σε αρκετά σημεία. Οι σπουδαιότεροι από αυτούς είναι οι MPEG-1, MPEG-2 και MPEG-4. Στο Σχήμα 2.1 φαίνεται η χρονολογική εξέλιξη των πιο διαδεδομένων προτύπων κωδικοποίησης. Η Joint Video Team (JVT) είναι μια ομάδα που δημιουργήθηκε από εμπειρογνώμονες που ανήκουν και στη ITU-T Video Coding Experts Group (VCEG) και την ISO/IEC Moving Picture Experts Group (MPEG). Στη συνέχεια

7 παρουσιάζονται κάποια από τα χαρακτηριστικά των βασικών προτύπων κωδικοποίησης ψηφιακού βίντεο. Σχήμα 2.1 : Εξέλιξη Προτύπων Κωδικοποίησης [1] 2.2.1 Η.261 (1990) Το βίντεο εισόδου που υποστηρίζεται από αυτό το πρότυπο είναι είτε cif είτε qcif ανάλυσης και frame rate μεταξύ 7.5 με 30 fps. Σχεδιάστηκε για εφαρμογές που υποστηρίζουν χαμηλό bit rate (p x 64 kbps) για μετάδοση έγχρωμου βίντεο σε δίκτυα ISDN. Κάνει χρήση μόνο Ι και P πλαισίων. 2.2.2 MPEG-1 (1993) Το MPEG-1 είναι το πρώτο πρότυπο κωδικοποίησης για ήχο και εικόνα. Ο ρυθμός μετάδοσης είναι μέχρι 1,5 Μbits/sec. Καλύπτει πολλές εφαρμογές, από συστήματα αλληλεπίδρασης σε CD-ROM ως την μεταφορά του βίντεο σε τηλεπικοινωνιακά δίκτυα. Το πρότυπο κωδικοποίησης MPEG-1 είναι γενικό. Υποστηρίζει μία μεγάλη γκάμα εφαρμογών (που χρειάζονται μικρό bandwidth) και μια μεγάλη ποικιλία παραμέτρων εισόδου περιλαμβάνοντας μεταβλητό μέγεθος εικόνας και ρυθμό πλαισίων που μπορεί να προσδιοριστεί από τον χρήστη. H εικόνα έχει ανάλυση 352x240 pixels (NTSC) ή 352x288 pixels (PAL) και η ποιότητά της είναι σε επίπεδα VHS βίντεο.

8 2.2.3 H.262/MPEG-2 (1995) Το MPEG-2 παρέχει λύσεις κωδικοποίησης βίντεο στις εφαρμογές που αρχικά δεν είχαν αντιμετωπιστεί ή δεν είχαν προβλεφτεί από το MPEG-1 πρότυπο. Ειδικότερα, στο πρότυπο MPEG-2 δόθηκε το προνόμιο να παρέχει βίντεο ποιότητας όχι χειρότερο από το NTC/PAL και μέχρι CCIR 601 ποιότητα. Η ανάπτυξη του προτύπου πραγματοποιήθηκε σε συνεργασία με ΙΤU-T H.262. H βασική ανάλυση της εικόνας ακολουθεί το τηλεοπτικό πρότυπο CCIR-601 (broadcast quality - ποιότητα εκπομπής) δηλαδή 704x480 pixels (NTSC) ή 704x576 pixels (PAL) και υποστηρίζει εικόνα πλεκτής σάρωσης (interlaced). Ο ρυθμός μετάδοσης κυμαίνεται από 3 ως 10 Mbits/sec. Οι εφαρμογές του είναι στην καλωδιακή τηλεόραση (CableTV), στη δορυφορική (Direct Broadcasting Satellite TV) αλλά αναμένεται να επεκταθεί και στην επίγεια τηλεόραση. Επίσης χρησιμοποιείται στην αποθήκευση κινηματογραφικών ταινιών στα DVD (Digital Video Disk). 2.2.4 H.263 (2000) Το πρότυπο αυτό αποτελεί την εξέλιξη του H.261 με το πλεονέκτημα ότι υποστηρίζει μικρότερα bit rates και καλύτερη αξιοποίηση του εύρους ζώνης, παρέχοντας ταυτόχρονα μηχανισμούς ανάκτησης από λάθη. Επίσης, έχει καλύτερους αλγόριθμους εκτίμησης κίνησης από το Η.261 και χρησιμοποιεί πλαίσια I,P και B. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε δίκτυα χαμηλών ταχυτήτων (64 128 Kbps). Χρησιμοποιείται για μετάδοση βίντεο στο διαδίκτυο με χρήση του πρωτοκόλλου IP. 2.2.5 MPEG-4 Part 2 (2000) Το MPEG-4 δημοσιεύτηκε το 1998. Παρέχει αποτελεσματική συμπίεση, πρόσβαση στα αντικείμενα και αλληλεπίδραση με αυτά, μεγάλη αντοχή σε σφάλματα μετάδοσης, ενοποιημένο περιβάλλον φυσικών / συνθετικών αντικειμένων και κλιμάκωση χρόνου, χώρου, ποιότητας και αντικειμένων. Είναι ένα πρότυπο για εφαρμογές επικοινωνίας

9 πολυμέσων. Η ανάλυση της εικόνας είναι 176x144 pixels σε σχετικά χαμηλούς ρυθμούς μετάδοσης που κυμαίνονται ανάμεσα στα 4.8 και 64 Κbits/sec. 2.2.6 H.264/AVC MPEG-4 Part 10 (2003) Το πρότυπο H.264/MPEG-4 Part 10 ή AVC (Advanced Video Coding) είναι το πλέον διαδεδομένο πρότυπο για κωδικοποίηση βίντεο υψηλής ευκρίνειας. Αναπτύχθηκε από την Joint Video Team (JVT) που αποτελείται από εμπειρογνώμονες από την ITU-T Video Coding Experts Group (VCEG) και την ISO/IEC Moving Picture Experts Group (MPEG). Οι εφαρμογές που προβλέπονται για το πρότυπο H.264/AVC συμπεριλαμβάνουν μετάδοση μέσω καλωδιακών, δορυφορικών, καλωδιακών μόντεμ, ψηφιακή συνδρομητική γραμμή (xdsl), και επίγειων καναλιών. Επίσης, διαδραστική ή σειριακή αποθήκευση σε οπτικά και μαγνητικά μέσα (π.χ. DVD), αποθήκευση και διανομή επαγγελματικών ταινιών και βίντεο, βίντεο κατά παραγγελία(video-ondemand) ή υπηρεσίες πολυμέσων συνεχούς ροής μέσω καλωδιακού μόντεμ, xdsl, τοπικού δικτύου (LAN), ISDN, και ασύρματων δικτύων, συνομιλητικές υπηρεσίες μέσω Ethernet, LAN, xdsl, ISDN, ασύρματων και κινητών δικτύων, και modems, και τέλος υπηρεσιών μηνυμάτων με πολυμέσα (MMS) πάνω σε xdsl, Ethernet, LAN, ISDN, ασύρματα και κινητά δίκτυα. Χρησιμοποιείται ιδιαίτερα για κωδικοποίηση στους δίσκους Blu-ray και για live streaming. Με μια τέτοια ευρεία κάλυψη εφαρμογών, το πρότυπο H.264/AVC έλαβε γρήγορα μια μεγάλη πρόσφατη προσοχή από τη βιομηχανία. Ο λόγος που το πρότυπο αυτό είναι τόσο διαδεδομένο είναι γιατί ξεπερνά τα προηγούμενα πρότυπα προσφέροντας καλύτερους λόγους συμπίεσης (μέχρι 50%) διατηρώντας ικανοποιητική ποιότητα. Αυτό το επιτυγχάνει χρησιμοποιώντας πολλαπλά πλαίσια αναφοράς για την πρόβλεψη κίνησης (μέχρι 5). Έτσι, απαιτεί

10 λιγότερο χώρο αποθήκευσης και πολύ καλή ποιότητα σε χαμηλά bit rates. Το πρότυπο H.264/AVC έχει μεγάλη ανθεκτικότητα στα λάθη παρέχοντας εργαλεία για αντιμετώπιση των χαμένων πακέτων και των λαθών στα bit. Επίσης, το πρότυπο έχει ευελιξία ως προς τα διάφορα περιβάλλοντα δικτύου [2] μέσω του Network Abstraction Layer (NAL). Από την άλλη πλευρά όμως, η βελτιστοποιημένη αποδοτικότητα κωδικοποίησης έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση της πολυπλοκότητας και κατ επέκταση τον χρόνο κωδικοποίησης. 2.3 Αρχιτεκτονική Του Προτύπου H.264/AVC Για να είναι δυνατή η μέγιστη ευελιξία και η προσαρμογή, το πρότυπο H.264/AVC ορίζει δυο στρώματα, το Video Coding Layer (VCL) και το Network Abstraction Layer (NAL). Το VCL αναπαριστά αποτελεσματικά το περιεχόμενο του βίντεο. Το NAL μορφοποιεί τα VCL δεδομένα και παρέχει πληροφορίες header κάνοντας τα κατάλληλα για μεταφορά μέσω διαφόρων στρωμάτων μεταφοράς ή μέσων αποθήκευσης (Σχήμα 2.2). Σχήμα 2.2 : Τα στρώματα VCL και NAL του προτύπου H.264/AVC

11 2.4 Profiles και Levels Το πρότυπο H.264/AVC ορίζει διάφορα profiles και levels, το κάθε ένα από τα οποία απευθύνεται σε διαφορετικές εφαρμογές και περιβάλλοντα μετάδοσης. Τα τρία βασικά profiles είναι το Baseline, το Extended, το Main. Το Baseline χρησιμοποιείται σε εφαρμογές πραγματικού χρόνου όπως κινητά τηλέφωνα, mobile TV, και τηλεδιάσκεψη. Είχε σχεδιαστεί για εφαρμογές χαμηλής καθυστέρησης, καθώς και για εφαρμογές που τρέχουν σε πλατφόρμες με χαμηλή επεξεργαστική ισχύ και σε περιβάλλον με υψηλή απώλεια πακέτων. Το Extended σχεδιάστηκε για υπηρεσίες πολυμέσων στο διαδίκτυο. Το Main χρησιμοποιείται σε ψηφιακά μέσα αποθήκευσης και για τηλεοπτική μετάδοση. Το High χρησιμοποιείται για studio editing. Το Σχήμα 2.3 παρουσιάζει τις ομοιότητες και διαφορές των διαφόρων profiles. Στα τηλεϊατρικά συστήματα το Baseline θεωρείται το καταλληλότερο profile, αφού συνήθως γίνεται χρήση κινητών συσκευών, τα οποία έχουν χαμηλή επεξεργαστική ισχύ. Επίσης, στην περίπτωση του βίντεο streaming όπου υπάρχει περίπτωση να χαθούν αρκετά πακέτα, το Baseline προφίλ είναι το ιδανικότερο. Τα διάφορα levels παρέχουν περιορισμούς π.χ. στην ανάλυση της εικόνας, στο frame rate, στον αριθμό των πλαισίων αναφοράς που θα χρησιμοποιηθούν κατά την κωδικοποίηση, στο μέγιστο εύρος ζώνης και στο μέγεθος του buffer.

12 SI, SP slices Extended Profile Baseline Profile Flexible MB Ordering I, P slices Arbitrary Slice Order CAVLC Main Profile B slices Interlace frame coding CABAC Interlace field coding Adaptive Transform High Profile Σχήμα 2.3 : Χαρακτηριστικά των διαφόρων profile του προτύπου H.264/AVC 2.5 Τύποι πλαισίων Το πρότυπο H.264/AVC ορίζει 3 διαφορετικούς τύπους πλαισίων, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν ανάλογα με το profile. Αυτά είναι τα I, τα P και τα B. Τα I πλαίσια (Intra Frames) περιέχουν αναφορές μόνο στον εαυτό τους, και κατ επέκταση μπορούν να αποκωδικοποιηθούν ανεξάρτητα από τα άλλα πλαίσια. Το πρώτο πλαίσιο μιας ακολουθίας βίντεο πρέπει να είναι I πλαίσιο. Τα Ι πλαίσια λαμβάνουν τον περισσότερο χώρο αποθήκευσης αφού περιέχουν όλη την πληροφορία που χρειάζεται για την αποκωδικοποίηση τους. Τα P πλαίσια (Predicted Frames) χρησιμοποιούν ένα ή περισσότερα προηγούμενα (I ή P) πλαίσια σαν αναφορές για την κωδικοποίηση του πλαισίου, και έτσι είναι πιο συμπιεσμένα από τα I πλαίσια. Σημαντικό μειονέκτημα των Ρ πλαισίων είναι ότι είναι ευαίσθητα σε λάθη μετάδοσης αφού εξαρτώνται από προηγούμενα πλαίσια.

13 Τα B πλαίσια (Bi-Directional Predicted Frames) είναι όπως τα P πλαίσια με την διαφορά ότι χρησιμοποιούν και προηγούμενα αλλά και επόμενα (I ή P) πλαίσια ως αναφορά, και είναι πιο συμπιεσμένα από τα προηγούμενα. Με βάση τα πιο πάνω, υπάρχουν δυο είδη κωδικοποιήσεων. Η ενδοπλαισιακή κωδικοποίηση και η διαπλαισιακή. Στην ενδοπλαισιακή κωδικοποίηση το βίντεο sequence αποτελείται μόνο από Ι πλαίσια. Στην περίπτωση αυτή χρειάζεται περισσότερο εύρος ζώνης για μετάδοση του βίντεο αλλά από την άλλη πλευρά, αν υπάρχει λάθος στη μετάδοση κάποιου πλαισίου, δεν θα επηρεαστούν τα άλλα πλαίσια. Στην ενδοπλαισιακή κωδικοποίηση χρησιμοποιείται αντιστάθμιση κίνησης για κωδικοποίηση των πλαισίων, έτσι το βίντεο αποτελείται και από Ρ και Β πλαίσια. Εδώ, το εύρος ζώνης που χρειάζεται είναι μικρότερο, αλλά τα λάθη της κωδικοποίησης στα πλαίσια αναφοράς μεταφέρονται στο πλαίσιο που θα προβλεφτεί. 2.6 Intra Updating Για να αποφευχθεί η μεταφορά του λάθους στα επόμενα πλαίσια, περιοδικά εισάγονται intra-coded macroblocks ή πλαίσια. Η τυχαία εισαγωγή των intra macroblock ή η εισαγωγή Ι πλαισίων είναι από τις πιο διαδεδομένες μεθόδους για να σταματήσει η χρονική διάδοση των λαθών όταν δεν χρησιμοποιείται κανάλι ανατροφοδότησης. Παρόλα τα θετικά της πιο πάνω μεθόδου, η εισαγωγή Ι πλαισίων απαιτεί επιπλέον εύρος ζώνης.

14 2.7 Rate Control Ένα αλγόριθμος για rate control προσαρμόζει δυναμικά τις παραμέτρους του κωδικοποιητή για να πετύχει ένα συγκεκριμένο bitrate. Για να γίνει αυτό δεσμεύει ένα αριθμό από bits για κάθε Group Of Pictures (GOP), για κάθε ξεχωριστή εικόνα, ή ακόμα για κάθε υπο-εικόνα σε ένα βίντεο. Η παράμετρος κβαντοποίησης (QP = Quantization Parameter) ρυθμίζει πόση χωρική λεπτομέρεια θα αποθηκευτεί. Όσο πιο μικρή είναι, τόση περισσότερη λεπτομέρεια διατηρείται, ενώ όσο μεγαλώνει χάνεται κάποια από αυτή την πληροφορία με αποτέλεσμα να χαμηλώσει το bitrate και η ποιότητα. Με άλλα λόγια το bitrate μπορεί να ρυθμιστεί καθορίζοντας διαφορετικές τιμές στο QP. Για πιο χαμηλό bitrate χρησιμοποιούμε πιο μεγάλο QP, με αποτέλεσμα να έχουμε χαμηλότερη ποιότητα βίντεο.

15 Κεφάλαιο 3 Ασύρματες Τεχνολογίες Μετάδοσης Βίντεο και Πρωτόκολλα Επικοινωνίας Σε αυτό το κεφάλαιο θα γίνει μια περιγραφή των κύριων ασύρματων τεχνολογιών που χρησιμοποιούνται για μετάδοση βίντεο και θα γίνει μια ανασκόπηση των βασικών δικτύων των διαφόρων γενεών. Επίσης, θα γίνει μια περιγραφή του RTP (Real-time Transport Protocol) πρωτοκόλλου που χρησιμοποιείται για μετάδοση βίντεο σε πραγματικό χρόνο. 3.1 Εισαγωγή Οι ασύρματες τεχνολογίες παίζουν σημαντικό ρόλο στα δίκτυα και στις επικοινωνίες παρόλο που οι ενσύρματες τεχνολογίες έχουν σαφώς καλύτερες αποδόσεις. Στο Σχήμα 3.1 φαίνεται η χρονολογική εξέλιξη των ενσύρματων και των ασύρματων τεχνολογιών σε σχέση με τις τιμές απόδοσης τους. Όπως φαίνεται και από το σχήμα, η απόδοση των ενσύρματων τεχνολογιών είναι δέκα φορές καλύτερη από αυτή των ασύρματων. Αυτό συμβαίνει γιατί η ταχύτητα εξαρτάται από το διαθέσιμο φάσμα συχνοτήτων και από το Signal to Noise Ratio (SNR). Οι γραμμές από οπτικές ίνες (fiber-optic) έχουν το μεγαλύτερο φάσμα και το λιγότερο θόρυβο. Στα ασύρματα περιβάλλοντα ο χρήστης μεταβιβάζεται από μια κυψέλη σε άλλη. Έτσι, η κινητικότητα είναι η κύρια χρησιμότητα των ασύρματων δικτύων, αλλά αυτή είναι που τα καθιστά πιο αργά από τα ενσύρματα δίκτυα.

16 Εκτός από την απόδοση (throughput), η καθυστέρηση (latency) παίζει σημαντικό ρόλο στα συστήματα πραγματικού χρόνου. Στο Σχήμα 3.3 φαίνεται ότι οι νεότερες τεχνολογίες έχουν μειωμένες καθυστερήσεις σε σχέση με τις πιο παλιές. Σχήμα 3.1 : Ασύρματες και Ενσύρματες Τεχνολογίες [3] Η εποχή της κινητής τηλεφωνίας άρχισε το 1980 αλλά από τότε οι κινητές επικοινωνίες έχουν υποστεί σημαντικές αλλαγές. Η εξέλιξη του δικτύου κινητής τηλεφωνίας κατηγοριοποιήθηκε σε γενιές. Δύο τεχνολογίες βρίσκονται στην ίδια γενεά εάν έχουν παρόμοια χαρακτηριστικά δικτύου και χρονοδιαγράμματα ανάπτυξης. Η πρώτη γενεά (1G) κινητών δικτύων βασιζόταν σε αναλογικά συστήματα και γνώρισαν μεγάλη επιτυχία παρόλο που η χρήση τους ήταν περιορισμένη σε μεταφορά φωνής. Η επόμενη γενεά (2G) γνώρισε πολύ μεγαλύτερη επιτυχία αφού μπορούσε να μεταφέρει και δεδομένα με ταχύτητες μέχρι 9.6 Kbps. Η μεγάλη διαφορά σε σχέση με την προηγούμενη γενεά είναι η χρήση της ψηφιακής τεχνολογίας, η οποία έχει περισσότερα πλεονεκτήματα σε σχέση με την αναλογική

17 τεχνολογία. Περιλαμβάνει το σύστημα GSM (Global System for Mobile Communications) [4] το οποίο θεωρείται το πιο διαδεδομένο. Η τρίτη γενεά (3G) ήταν αποτέλεσμα της αύξησης του αριθμού των συνδρομητών και η ανάγκη παροχής πιο γρήγορων ταχυτήτων. Η τέταρτη γενεά (4G) δικτύων προσφέρει ακόμα καλύτερες ταχύτητες και δίνει έμφαση στην ασφάλεια. Ο Πίνακας 3-1 παρουσιάζει κάποιες από τις βασικές τεχνολογίες των τεσσάρων γενεών με τις αντίστοιχες ταχύτητες και καθυστερήσεις τους. Ξεκινώντας από τις τεχνολογίες της δεύτερης γενεάς (GSM) τα οποία μπορούν να μεταφέρουν δεδομένα με ταχύτητες 9.6 Kbps, καταλήγουμε στις τεχνολογίες τέταρτης γενεάς (LTE- Advanced και WiMAX) που μεταφέρουν δεδομένα με ταχύτητες μέχρι 1 Gbps. Όσο για τις καθυστερήσεις (delays), οι τεχνολογίες τέταρτης γενεάς ελαχιστοποιούν τις καθυστερήσεις σε λιγότερα από 10ms. Ακολουθεί μια περιγραφή των γενεών και των τεχνολογιών τους. 3.2 Δεύτερη γενεά ασύρματων δικτύων (2G) Τα δίκτυα δεύτερης γενεάς εμφανίστηκαν στα τέλη της δεκαετίας του 80 και αποτέλεσαν την βάση για την εξέλιξη στα σημερινά δίκτυα τρίτης γενεάς. Σε αντίθεση με τα πρώτα δίκτυα (1G) που μετέδιδαν αναλογικό σήμα και ο διαχωρισμός μεταξύ των χρηστών για ταυτόχρονη πρόσβαση στο ασύρματο μέσο γινόταν με την Frequency Division Multiple Access (FDMA) τεχνική, τα δίκτυα δεύτερης γενεάς χρησιμοποιούσαν τεχνικές ψηφιακής διαμόρφωσης του σήματος, ενώ οι χρήστες διαχωρίζονταν με Time Division Multiple Access (TDMA) ή Code Division Multiple Access (CDMA).

18 Τα δίκτυα δεύτερης γενεάς έδωσαν την δυνατότητα μετάδοσης δεδομένων (εκτός από φωνή) και έτσι ήταν δυνατή η αποστολή γραπτών μηνυμάτων (SMS). Οι βασικές τεχνολογίες 2 ης γενεάς είναι: Το Global System for Mobile communication (GSM) Το Pacific Digital Cellular (ΡDC) Το Interim Standard 95 (IS-95) ή cdmaone Το σύστημα GSM επιτρέπει ταχύτητες μετάδοσης δεδομένων μέχρι και 9.6 Kbps. Λειτουργεί σε συχνότητες 900 MHz και 1.8 GHz στην Ευρώπη και 1.9 GHz και 850 MHz σε Αμερική και Αυστραλία. Η πρώτη προσπάθεια σύνδεσης στο διαδίκτυο μέσω των δικτύων της δεύτερης γενεάς έγινε πριν από μερικά χρόνια με την εμφάνιση του WAP (Wireless Applications Protocol), αλλά η προσπάθεια απέτυχε λόγω των χαμηλών ταχυτήτων μετάδοσης δεδομένων. 3.3 Δεύτερη και μισό γενεά ασύρματων δικτύων (2.5G) Για να είναι δυνατή η παροχή μεγαλύτερων ρυθμών μετάδοσης, η διεθνής επιστημονική κοινότητα ξανασχεδίασε τα πρότυπα δεύτερης γενεάς, έτσι ώστε να μπορούν να υποστηρίξουν περισσότερες δικτυακές εφαρμογές. Έτσι λοιπόν προέκυψε ένα νέο σύνολο προτύπων που ονομάστηκε γενεά 2.5G. Με άλλα λόγια, η 2.5G γενεά περιλαμβάνει προηγμένες αναβαθμίσεις των δικτύων δεύτερης γενεάς. Τα πρότυπα αυτά επέτρεπαν στον υπάρχοντα εξοπλισμό της δεύτερης γενεάς να τροποποιηθεί για να μπορεί να υποστηρίζει υπηρεσίες όπως πλοήγηση στο διαδίκτυο, αποστολή ηλεκτρονικών μηνυμάτων κ.ά. Έτσι προέκυψαν νέες τεχνολογίες όπως:

19 High-Speed Circuit-Switched Data (HSCSD) General Packet Radio Service (GPRS) Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE) Το HSCSD χρησιμοποιεί ταυτόχρονα πολλαπλά time slots (χρόνο-θυρίδες) όταν στέλνει/λαμβάνει δεδομένα για αύξηση του ρυθμού μετάδοσης δεδομένων κατά 50% περίπου (14.4 Kbps από τα 9.6 Kbps που προσέφερε το GSΜ). Το GPRS θεωρείται ότι ανήκει στην 2.5G γενεά, γιατί είναι το πρώτο βήμα μετάβασης από την δεύτερη στην τρίτη γενεά. Το GPRS παρέχει θεωρητικές ταχύτητες μετάδοσης δεδομένων της τάξης των 171.2 Kbps χρησιμοποιώντας 8 time slots για κωδικοποίηση CS-4, αλλά οι πραγματικές τιμές κυμαίνονται στα 30 80 Kbps γιατί για downlink μπορούν να χρησιμοποιηθούν το πολύ 4 time slots. Το GPRS βασίζεται στη λειτουργία της μεταγωγής πακέτου (packet switched), γεγονός που το καθιστά κατάλληλο για πρόσβαση στο διαδίκτυο και ακόμα μετάδοση ήχου και βίντεο. Εκτός από τις τεχνολογίες 2.5G υπάρχουν και οι λεγόμενες τεχνολογίες 2,75G. Ένα αντιπροσωπευτικό πρότυπο αυτών των τεχνολογιών είναι το EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution), που επιτυγχάνει ταχύτητες της τάξης των 236.8 Kbps για 4 timeslots (με θεωρητικό μέγιστο στα 473.6 Kbps για 8 timeslots). 3.4 Τρίτη γενεά ασύρματων δικτύων (3G) Η γενεά αυτή δεν αποτελεί απλά αναβάθμιση της προηγούμενης γενεάς, αφού τα δίκτυα τρίτης γενεάς έχουν καινούργια αρχιτεκτονική.

20 Τα δίκτυα τρίτης γενεάς ξεκίνησαν την δεκαετία του 2000 για να προσφέρουν μεγαλύτερες ταχύτητες μετάδοσης και πιο προηγμένες υπηρεσίες. Οι υπηρεσίες που προσφέρονται περιλαμβάνουν ασύρματη τηλεφωνική επικοινωνία ευρείας ζώνης, βιντεοκλήσεις, κινητή πρόσβαση στο διαδίκτυο, κινητή τηλεόραση και ευρυζωνικές ασύρματες υπηρεσίες δεδομένων, όλα αυτά μέσω μιας κινητής συσκευής. Οι ταχύτητες που υποστηρίζονται κυμαίνονται από 384 Kbps (πολύ κινητό περιβάλλον) μέχρι 2 Mbps (ακίνητο περιβάλλον). Μια τεχνολογία τρίτης γενεάς είναι το UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) που έχει ως βάση του το Wideband-CDMA (W-CDMA) το οποίο σχεδιάστηκε για να αποτελέσει τον μελλοντικό διάδοχο του GSM αφού είναι επηρεασμένο από τον τρόπο λειτουργίας του. Χρησιμοποιεί συχνότητες 1900 MHz για uplink και 2100 MHz για downlink με θεωρητικές ταχύτητες 11 Mbps. Μια άλλη τεχνολογία είναι η CDMA2000 (Βόρεια Αμερική) και αποτελεί εξέλιξη των ήδη υπάρχων CDMA τεχνολογιών. Η μέγιστη ταχύτητα που προσφέρει είναι 14.7 Mbps στο downlink. 3.5 Τρίτη και μισό γενεά ασύρματων δικτύων (3.5G) Η 3.5G (2005) περιλαμβάνει τα δίκτυα εκείνα που εκτός από την τεχνολογία W- CDMA, έχουν ενσωματώσει και την τεχνολογία High Speed Downlink Packet Access (HSDPA). Η τεχνολογία αυτή αφορά την μετάδοση πακέτων από το σταθμό βάσης προς το χρήστη (downlink) με ρυθμό 5 φορές μεγαλύτερο του UMTS και 15 φορές μεγαλύτερο του GPRS, δηλαδή από τα 2 Mbps που μπορεί να προσφέρει το UMTS ο ρυθμός μπορεί να φτάσει θεωρητικά μέχρι και τα 14.4 Mbps. Αυτό το καθιστά

21 κατάλληλο για εφαρμογές που έχουν ψηλές απαιτήσεις στον ρυθμό μετάδοσης των δεδομένων, π.χ. βίντεο streaming. Το HSDPA [5] θεωρείται ως εξέλιξη του UMTS προτύπου, παρέχοντας στους χρήστες υψηλότερους ρυθμούς μεταφοράς δεδομένων και μεγαλύτερη χωρητικότητα. Η λειτουργία του HSDPA στηρίζεται στο ότι χρησιμοποιεί ένα νέο Downlink Shared Channel (DSCH) το οποίο θα μεγαλύτερο εύρος ζώνης και το οποίο θα μοιράζονται μεταξύ τους οι χρήστες για την μεταφορά των πακέτων. Το κανάλι αυτό ονομάζεται high-speed DSCH (HS-DSCH). Έτσι, δεν χρησιμοποιούνται ξεχωριστά Dedicated Channel για την αποστολή δεδομένων. και επομένως επιτυγχάνονται μεγαλύτερες ταχύτητες. Το High Speed Uplink Packet Access (HSUPA) [6] αποτελεί μια εξέλιξη του HSDPA προσφέροντας γρηγορότερες ταχύτητες για upload (μέχρι 5.76 Mbps) και κυκλοφόρησε ως μέρος της 3GPP Release 6. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.2, το HSDPA μειώνει την καθυστέρηση στο downlink, το HSUPA μειώνει την καθυστέρηση στο uplink καθιστώντας την συνολική καθυστέρηση του συστήματος αποδεκτή για εφαρμογές πραγματικού χρόνου. Σχήμα 3.2 : Καθυστέρηση WCDMA, HSDPA και HSPA(HSDPA + HSUPA) [7]

22 3.6 Τέταρτη γενεά ασύρματων δικτύων (4G) Τα δίκτυα τέταρτης γενεάς βασίζονται στην τεχνολογία LTE [8], [9] (Long Term Evolution) η οποία αυξάνει την χωρητικότητα του δικτύου και τον ρυθμό μετάδοσης δεδομένων και επιπλέον μειώνει τις καθυστερήσεις. Οι θεωρητικοί ρυθμοί μετάδοσης φτάνουν τα 100 Mbps που είναι περίπου 10 φορές καλύτεροι από τα δίκτυα 3G και η μέγιστη καθυστέρηση υπολογίζεται στα 10 ms (Σχήμα 3.3). Έτσι θα είναι δυνατή η μετάδοση βίντεο υψηλής ευκρίνειας. Σχήμα 3.3 : Καθυστερήσεις (Delays) Για Τις Διάφορες Τεχνολογίες [3] Για να είναι δυνατή η επίτευξη πλήρους απόδοσης των δυνατοτήτων του LTE είναι αναγκαία η μετατροπή των σημερινών υβριδικών δικτύων (κυκλώματος/πακέτου) σε δίκτυα πλήρως βασισμένα σε IP (Internet Protocol). Δηλαδή οι υποδομές 4G αποτελούνται από διάφορα δίκτυα που χρησιμοποιούν το IP ως κοινό πρωτόκολλο, ώστε οι χρήστες να μπορούν να επιλέγουν κάθε εφαρμογή και περιβάλλον. Η λύση

23 αυτή επιτρέπει τη δημιουργία νέων υπηρεσιών με επαναχρησιμοποίηση του λογισμικού εφαρμογών, ενώ η ανεξαρτησία του IP, του επιτρέπει να δουλεύει πάνω σε οποιαδήποτε τεχνολογία πρόσβασης. Αυτό σημαίνει ότι τα ετερογενή ασύρματα δίκτυα θα συγχωνευτούν σε ένα μοναδικό δίκτυο, κάνοντας έτσι την πλειοψηφία των υπηρεσιών ανεξάρτητη από τις τεχνολογίες πρόσβασης. Το LTE βασίζεται πάνω σε νέες τεχνικές αρχές. Ενσωματώνει OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) τα οποία δίνουν προτεραιότητα στην ελαχιστοποίηση των παρεμβολών μεταξύ των καναλιών, και συστήματα κεραίων MIMO (Multiple-Input Multiple-Output). Το WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) είναι μια άλλη τεχνολογία η οποία προσφέρει ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων μέχρι 72 Mbps χωρίς ναν υπάρχει ανάγκη για καλωδιακές υποδομές. Το WiMAX προσφέρει μεγαλύτερο εύρος ζώνης από τις ήδη υπάρχουσες τεχνολογίες ασύρματων ευρυζωνικών συνδέσεων (π.χ. Wi-Fi). To 2008, η ITU-R (International Telecommunications Union-Radio communications sector) όρισε ένα σύνολο από απαιτήσεις για το πρότυπο 4G με το όνομα IMT- Advanced (International Mobile Telecommunications Advanced), καθορίζοντας απαιτήσεις μέγιστης ταχύτητας στα 100 Mbps σε κινητό περιβάλλον και στο 1 Gbps σε ακίνητο περιβάλλον [10]. Έτσι, αφού το LTE και το Mobile WiMAX υποστηρίζουν χαμηλότερες ταχύτητες, δεν αποτελούν συμβατά δίκτυα τέταρτης γενεάς. Το 2010, η ITU-R αναγνώρισε ότι οι δύο αυτές τεχνολογίες, καθώς και άλλες που είναι πέραν της τρίτης γενεάς, παρόλο που δεν πληρούν τις IMT-Advanced απαιτήσεις, θα μπορούσαν εντούτοις να θεωρηθούν "4G", υπό την προϋπόθεση ότι είναι πρόδρομοι για IMT-Advanced συμβατές εκδόσεις και ότι έχουν βελτιστοποιήσει σε ένα σημαντικό επίπεδο τις επιδόσεις και τις δυνατότητες των αρχικών συστημάτων τρίτης γενεάς.

24 Το Mobile WiMAX Release 2 (WirelessMAN-Advanced ή IEEE 802.16m) και το LTE Advanced [11] (LTE-Α) είναι IMT-Advanced συμβατές και προς τα πίσω συμβατές εκδόσεις των δύο παραπάνω συστημάτων και έτσι μπορούν να θεωρηθούν και επίσημα τεχνολογίες τέταρτης γενεάς.

25 Πίνακας 3-1 : Οι Τεχνολογίες Με Τις Αντίστοιχες Ταχύτητες και Καθυστερήσεις [1] Wireless Technology 2G-GSM (TDMA) 2.5G-GPRS (TDMA) Theoretical Data Rates Typical Data Rates Delay 9.6 115 Kbps. 10 Kbps N/A DL:UL: 9.6-171.2 Kbps DL:UL: 30-50 Kbps < 700ms 2.5G-EDGE (TDMA) DL:UL: 9.6-384 Kbps DL:UL: 75-135 Kbps <600ms (Rel.99) <350 (Rel. 4) Evolved EDGE (TDMA) DL: 1.89Mbps UL: 947Kbps DL: 175-350Kbps UL:150-350Kbps <200ms 3G-UMTS (FDD, W-CDMA) DL:UL: 144 kbps - 2 Mbps. DL:UL: 220-384 Kbps <250ms 3G-UMTS (TDD, TD/CDMA) as above as above as above 3.5G-HSPA (HSDPA Rel. 5) (HSUPA Rel. 6) DL: 14Mbps UL: 5.8 Mbps DL : 1-4 Mbps UL : 500Kbps -2Mbps <150ms 3.5G-HSPA+ Rel. 8 (Rel. 9) DL: 42(84) Mbps UL: 11.5(23) Mbps DL : 1.9-8.8 Mbps UL: 1-4 Mbps <100ms 3.5G-LTE (OFDMA) DL: 326 Mbps UL: 86 Mbps DL: 5.9-21.5 Mbps UL: TBD <70ms Mobile WiMAX (OFDM) (IEEE 802.16e) DL: 46 Mbps UL: 5.6 Mbps DL:UL: TBD <70ms 4G-LTE-Advanced DL: 1Gbps TBD (OFDMA) UL: 100 Mbps TBD (target<5ms) 4G- WiMAX (OFDM) (IEEE 802.16m) DL: 1Gbps UL: 100 Mbps TBD TBD (target<5ms) N/A: not available, TBD: to be determined, DL: downlink, UL: uplink

26 3.7 Πρωτόκολλα Επικοινωνίας Για την μετάδοση βίντεο σε πραγματικό χρόνο χρησιμοποιείται το πρωτόκολλο Real- Time Transport Protocol (RTP). Ο λόγος είναι γιατί τα δυο βασικά ήδη υπάρχοντα πρωτόκολλα, το User Datagram Protocol (UDP) και το Transmission Control Protocol (TCP), δεν είναι ιδανικά από μόνα τους για χρήση σε εφαρμογές πραγματικού χρόνου. Το UDP [12] γιατί δεν είναι εξασφαλίζει ότι τα πακέτα θα φτάνουν με τη σωστή σειρά (δηλαδή με την σειρά που στάλθηκαν) στον παραλήπτη και το ΤCP [13] γιατί κάνει αναμετάδοση για να εξασφαλίσει ότι όλα τα πακέτα φτάνουν στον προορισμό τους, προκαλώντας μεγάλες καθυστερήσεις. Επίσης, στις εφαρμογές μετάδοσης βίντεο σε πραγματικό χρόνο είναι ανεκτό να χαθεί ένας μικρός αριθμός πακέτων, αφού οι κωδικοποιητές και οι αποκωδικοποιητές χρησιμοποιούν τεχνικές ανθεκτικότητας στα λάθη. Για τους παραπάνω λόγους αναπτύχθηκε το πρωτόκολλο RTP [14] το οποίο βασίζεται στα πρωτόκολλα UDP ή TCP και που επιπλέον παρέχει χρονοσφραγίδες (timestamps), μηχανισμούς ελέγχου και άλλες λειτουργικότητες που το κάνουν ικανό για μεταφορά δεδομένων σε πραγματικό χρόνο. Επίσης, προσφέρει μηχανισμούς ανίχνευσης των χαμένων πακέτων προκειμένου αυτά να αναμεταδοθούν. Η επικεφαλίδα ενός RTP πακέτου περιέχει πληροφορίες οι οποίες αφορούν τα δεδομένα που μεταφέρει (payload). Μερικά από αυτά είναι ο αύξων αριθμός του (sequence number), η χρονοσφραγίδα (timestamp) και η πηγή (ssrc). Το πρωτόκολλο the Real Time Control Protocol (RTCP) είναι μέρος του RTP και είναι υπεύθυνο για τον έλεγχο της ποιότητας της υπηρεσίας (QoS) και παίρνει πληροφορίες σχετικά με τον αριθμό των συμμετεχόντων στη σύνοδο (session). Αυτό το κάνει στέλνοντας στατιστικές πληροφορίες στους συμμετέχοντες και παίρνοντας

27 στατιστικά και πληροφορίες σχετικά με τον αριθμό των χαμένων πακέτων, το jitter, το Round-Trip Delay time (RTT) κ.ά. Οι πληροφορίες αυτές θα χρησιμοποιηθούν για βελτίωση της ποιότητας υπηρεσίας. Τα RTP πακέτα συνήθως στέλνονται σε ένα port με ζυγό αριθμό (π.χ. 5004) και τα RTCP στέλνονται στο επόμενο port με μονό αριθμό (π.χ. 5005) [15].

28 Κεφάλαιο 4 Εφαρμογή Συστήματος Τηλεϊατρικής Στο κεφάλαιο αυτό γίνεται μια περιγραφή του λογισμικού που χρησιμοποιήθηκε στα πλαίσια της εργασίας αυτής και το οποίο βασίζεται σε εργαλεία ανοικτού κώδικα. Επίσης παρουσιάζεται το ολοκληρωμένο σύστημα μετάδοσης ιατρικού βίντεο το οποίο ενσωματώνει τις ανωτέρω τεχνολογίες. 4.1 Εφαρμογές Ανοικτού Κώδικα και Λογισμικό Οι εφαρμογές ανοικτού κώδικα είναι εφαρμογές που ο πηγαίος κώδικας είναι ελεύθερα διαθέσιμος. Οποιοσδήποτε μπορεί να έχει πρόσβαση σε αυτόν και μπορεί να τον τροποποιήσει ή να τον χρησιμοποιήσει σε άλλες εφαρμογές. Υπάρχουν πολλά πλεονεκτήματα που μπορούν να προσφέρουν οι εφαρμογές ανοικτού κώδικα έναντι των εφαρμογών κλειστού κώδικα. Το κύριο πλεονέκτημα για τις επιχειρήσεις είναι ότι ο ανοικτός κώδικας είναι ένας καλός τρόπος να επιτύχουν μεγαλύτερη διείσδυση στην αγορά. Επίσης, το κόστος ανάπτυξης και συντήρησης των εφαρμογών είναι πολύ λιγότερο αφού οποιοσδήποτε μπορεί να συνεισφέρει χωρίς πληρωμή. Ένα επιπλέον πλεονέκτημα είναι το ότι οι εφαρμογές ανοικτού κώδικα θεωρούνται πιο αξιόπιστες αφού υπάρχουν χιλιάδες ανεξάρτητοι προγραμματιστές που το ελέγχουν και διορθώνουν τα λάθη του. Για την παρούσα εργασία, η επιλογή εργαλείων ανοικτού κώδικα αποσκοπεί στην ανάπτυξη, αξιολόγηση, και διάδοση ενός τηλεϊατρικού συστήματος χαμηλού κόστους, με ευκολία εγκατάστασης και διείσδυσης στην ερευνητική κοινότητα.